专利名称：外燃湿空气燃气轮机发电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种将外燃燃气轮机技术和湿空气透平技术进行结合的新型外燃可回收水的湿空气燃气轮机循环系统及其方法。
瑞典和其他国家，对采用外燃应用固体燃料例如煤与生物质来发电越加重视。生物质燃料，作为国家清洁能源，其重要性不仅是由于能源供应的安全性，而且在于它对环境、农村地区发展的潜在利益。不断增长的环境性问题的挑战将对发展和运用改革性的技术产生极大的促进，相应技术以更清洁、更有效、更经济的方式使用燃料。
非直接燃烧联合循环又称为外燃或废气联合循环，其概念性流程如
图1所示。压气机对常压大气进行压缩，从压气机出来的空气在关键设备高温换热器(HTHx)中被加热，清洁的高温空气被送到透平做功，透平带动发电机来发电供应外界负荷。其中透平入口的高温需要关键设备HTHx来实现。煤在常压燃烧室中燃烧后进入空气加热器，把来自压气机的空气加热到燃烧透平的入口温度，离开空气加热器的烟气进入蒸汽动力系统中。烟气离开蒸汽动力系统后通过除硫和除灰系统。透平排气可以作为燃烧室的燃烧助燃剂。通过增加底循环例如蒸汽透平循环、供热系统，外燃式燃气轮机系统可变为外燃式联产系统，提高系统性能。
煤是世界上储存最丰富的化石燃料，约占70％左右。在最近几十年内，煤提供了大约世界需求能源的30％。尽管常规燃煤电站比燃天燃气电站效率低，但EFCC可建立高效联合循环电厂。非直接燃烧这一流程使得透平部件不会直接暴露于具有潜在腐蚀性的烟气中，这有别于直接燃烧烟气作功技术，例如增压流化床。
EFCC最先应用的市场可能是对现存燃煤动力电厂进行改造，例如美国有人估计进行电站改造可能是EFCC应用的第一市场，其中30-100MW功率范围内200多座燃煤电厂已运行了30多年；功率大于100MW而运行了至少30年的蒸汽动力电站也有500多座，这些电厂平均效率为27％，所有这些电站在2010年左右都将成为EFCC技术改造对象。用EFCC对现存设备进行改建，可以使现有电厂的发电效率提高25-60％，且使输出功率翻倍。而改建所需的资金则是一座相同发电能力新型设备的一半。EFCC改建电站与现存发电设备的操作经验几乎完全一致。
提高EFCC系统效率的关键部件是陶瓷换热器，其他部分与传统联合循环相似。现在美国已完成了陶瓷热交换器组件的试验工作，并进行了多单元组的试验。EFCC改建示范电厂已开始建立，借用现存电厂48MW的蒸汽透平，应用通用电器公司的LM6000燃气轮机系统进行顶循环改造，可以把效率提高到接近40％，投资费用估计大约为$1090/kW。当高效性、低价煤以及低运行与维修费用相结合后，发电具有市场竞争力。
美国能源部(DOE)/(PETC)工程发展计划“燃烧2000”中的“高性能动力系统-HIPPS”瞄准在应用先进技术上，以煤为燃料，高效、洁净地发电，使效率达到天然气联合循环的水平。HIPPS电厂基于非直接燃烧循环，包括应用能够集燃烧、传热、排放物的控制于一体的高温先进燃烧炉(HITAF)单一设备。HIPPS计划将在2004年为商业应用提供一个先进的原型动力电厂。
EFCC是利用煤或含灰性燃料使燃气-蒸汽联合循环高效运行的吸引人的技术。具有以下几个优点1.燃料应用广；2.燃气轮机可以调整到与任何蒸汽参数的蒸汽动力系统相匹配；3.避免了采用高温高压的含尘烟气作为工质，可以应用传统的烟气清洁系统；4.相对减少CO2的排放；5.投资、维修和运行费用低；6.EFCC技术可以继续使用原有电站的地点，避免开辟新厂地；7.EFCC与现存电站非常相似，不会增加任何新的或更复杂的化学过程。
外燃式燃气轮机，不管在纯外燃循环系统中还是在联合循环系统中，要进一步提高系统效率，不象常规内燃式燃气轮机那样，关键要依赖高温换热器的开发，受材料技术发展水平的限制，系统效率的提高会受到制约。2、湿空气透平动力发电技术(HAT)这种方案最早由日本中村提出，又可称为蒸发-回热式双流体循环，其基本思想可以用图2所示的原则性系统来概括。
余热利用产生动力有多种方式，最常用的方式是产生蒸汽在蒸汽底循环中膨胀作功。湿空气透平(HAT)是余热利用的一种新方式。早期对常规余热锅炉型燃气-蒸汽联合循环进行改进，从汽机系统中某处抽出适量给水作为燃机系统中蒸发饱和器用水，使空气加热加湿，湿空气在燃烧室中燃烧，然后在湿空气透平中膨胀作功，燃烧产物通过回热器后排向大气。有关HAT概念的模型研究已进行了很多，主要集中在直接燃用贵重燃料的内燃式燃气轮机方面。Fluor Daniel Inc.研究和申请了HAT循环专利(Rao and Joiner-1990；Day and Rao-1992)。他们把HAT循环与带有煤气化过程的联合循环电厂进行了比较，还与烧天然气电厂进行了比较(Fluor Daniel-1991，1993)。把HAT循环与其他发电新技术相结合的潜力由Cohn-1993年进行了讨论。这些新的发电技术是CASH循环；IGCASH循环；CASHING循环。HAT循环组合变化及其性能也由Stecco等1993年和Chiesa等1994年进行了研究。最近Westinghouse Electric针对300MW电厂提出了CHAT系统(Cascaded Humidified Advanced Turbine)，其中有换热器、间冷器、再热器、空气饱和器和回热器的合理布置。
湿化所需要的能量主要来自燃机排气和压气机空气的间冷及后冷。热水进入湿化器以前，在排气给水预热器中吸取中低温余热；然后进入湿化器对空气进行加热加湿，形成空气与水蒸气的混合物。湿化器通常又被称为饱和器，对空气加热加湿到接近饱和状态，然后湿空气进入燃气透平燃烧室中参与燃烧，燃烧产物进入湿空气透平膨胀做功。液态水转化为气态，必将增大流经透平的工质流量，相应增大机组功率，系统性能提高。
EPRI与它的合同人Fluor Daniel对HAT循环概念在天然气循环和IGCC中的潜力进行了估计。结果表明，在同样的电价下，应用HAT循环的天然气电厂的热耗率比相应的联合循环电厂的热耗率降低5％，原因是通过湿化器对低温热的有效利用以及压缩耗功的降低。HAT循环的使用，电价降低8％。相应动力循环是由美国能源部(DOE)/匹兹堡能源技术中心(PETC)进行开发。
HAT循环商业应用的关键是湿空气透平的开发。目前商业应用的湿空气透平还不存在。基于“the Pratt & Whitney”PW4000航空技术发动机，与能源部和其他有关部门合作，HAT循环正处于研究之中，相应技术处于开发之中。
上述系统具有如下的优点1.设备简化，没有常规联合循环中蒸汽侧的硬件设备，结构紧凑，成本降低；2.效率高，通过湿化器充分吸收利用中低温余热，从而为提高循环的热效率提供了条件；3.透平作功增大以及压气机耗功降低，因而比功很大；4.变工况性能良好，负荷变化时，系统的效率波动不大。
HAT循环能够充分利用中低温余热，使系统的效率大为提高，但是常规HAT循环由于采用内燃方式，需要燃烧油、气燃料而不能燃烧煤，而且燃烧产物是污染性排放物，其中的水蒸气难以回收。如何克服这一缺陷，又能与洁净煤技术相结合，是富有挑战性的一个课题。
该发明的目标之一就是把作为先进动力装置的燃气轮机动力系统与存在最多应用最广的化石燃料煤有机结合，为动力发电系统开辟新的方向。实现这一目标的方法就是采用外燃式湿空气燃气轮机系统。
从燃气轮机系统的发展历史看，人们不断研究和探索提高燃机性能的新途径，那么如何把提高燃机性能的有效手段应用到上述目标所实现的动力系统中，该发明把HAT循环结合到新系统中，使新系统的效率大大提高，这就又实现了该发明的另一个重要目标高效性。
该发明并不就是两者结合仅限于实现了燃煤和高效性，由于作功工质是洁净的湿空气，从而为水的回收提供了极为便利的条件，大大提高了工程应用的可能性，尤其对于缺水地区来说；而对于未来日益紧张的淡水资源发展趋势来看，也是更具有魅力的动力系统。
常规内燃式燃机系统，由于燃烧的产物直接在透平中作功，容易引起透平材料的腐蚀、积垢、侵蚀问题，那么洁净的空气或湿空气作为作功工质，就完全避免了类似问题，为系统的安全性、可靠性提供了更好的保证，从而也会延长系统寿命，降低工程成本。
另外，在纯外燃式加热空气来看，工质体积流量大，功率的提高受到限制；空气的比热容小，传热系数小，同样的换热量势必造成系统设备庞大。但是，对于加湿的空气来说，这些问题就相当程度地得以解决。
现在常规的动力发电系统污染比较严重，而该发明中的外燃式燃料燃烧，不仅实现了燃烧效率高，而且更有利于污染物的控制，例如，循环流化床系统就相当令人满意，高脱硫率；NOx排放低。
由于材料发展的制约，在一般的外燃式换热器中工质被加热的温度就不会很高，该发明例证中取800℃，它已在目前高级合金材料的承温能力范围内。同样的蒸汽温度已经远远超过常规蒸汽轮机系统的入口水蒸气温度，与常规蒸汽动力系统相比这也是加湿技术对蒸汽利用带来的优势；另一方面相对低的透平入口温度会减少透平叶片冷却带来的复杂性以及工质消耗；并且影响透平作功能力的温度限制可通过HAT循环的高效性进行补偿。
另外，根据目前外燃系统的发展，换热器材料耐高温、高压性能的不断提高，透平前工质的温度也会进一步地提高，使系统效率进一步提高的潜力也会更有可能发挥出来，整个系统的性能也会更加完善。如果对系统的热力学参数进一步优化，各换热器极其受热面的布置安排更为合理，那么系统的性能会进一步提高，该发明将成为先进的外燃式(尤其燃用化石燃料煤)动力系统。
本发明通过对已有系统进行取长补短、优势互补的有机结合，提出了一个新型的高效、洁净燃气轮机发电系统，其独有的特点是加湿能力大为提高。该发明可称之为新颖外燃式湿空气燃气轮机循环动力系统，是一个高效燃煤燃气轮机动力系统，为燃气轮机的应用开辟了更为广泛的燃料领域。常规的外燃式燃机系统，可以燃用比较广的燃料，但是不管是简单循环还是联合循环，由于燃气轮机循环的初温不高，效率提高会受限制；常规HAT燃机循环效率高，不过很难消除排放物的污染问题，水的回收利用困难，更不可能燃用化石燃料煤。该发明把二者有机结合成新系统，它克服两者缺点而使两者优势有机结合，并且具有任何单独系统不具备的特点和优势。
该发明的提出，基于能的品位梯级利用原理和系统集成方法论，采用湿化技术，合理全面利用低温余热，既克服常规HAT循环水不能回收的弱点，又结合外燃可以燃煤的优势，取长补短，优势互补，该发明创新性地提出了燃气轮机高效洁净燃煤动力新系统。
由于不受露点温度限制，低温湿空气的凝结潜热可以回收利用，从而较常规HAT循环大幅度强化了湿化能力，因而可获得比传统HAT循环更好的性能，而且凝结后的洁净水可以回收循环使用，不浪费水资源。压气机通过循环水采用间冷，既降低了压气机的耗功，而所回收的热量又在湿化器中用于加热加湿，“一箭双雕”。另外，根据加湿技术的要求和特点，外燃设备中的低温余热可通过循环水得以合理的回收利用。低温余热回收有三个来源压气机间冷、燃机排气、外燃低温排气。
系统构成的主要部分为湿化燃气轮机系统A-低压压气机；B-高压压气机；C-湿化器；D-湿空气预热器；E-湿空气透平；F-发电机；G-燃机省煤器；H-水回收凝气器；I-给水泵；J-湿化器出口混合器；K-余热回收水混合器。流化床锅炉系统L-循环流化床主燃烧区；M-空气预热器；N-锅炉省煤器；O-引风机系统流程描述常温常压空气1经过低压压气机A被压缩到状态2；经过间冷器F1降温到状态3；经过高压压气机B被压缩到状态4；再经过后冷器B1被降温到状态5，然后进入湿化器C。
低温凝结水与湿化器出水在混合器J中混合(14)，通过水泵分为四股流，分别流向后冷器(B1)、间冷器(F1)、锅炉省煤器(N)、燃机省煤器(G)，四股水流分别回收中低温余热后在混合器K中混合(15)，作为湿化器热水来加热和加湿离开后冷器的空气(5)使其达到湿化器出口的接近饱和状态(6)。剩余的水(13)以比较低的温度离开湿化器，与凝结水(补充水)混合后循环使用，补充水量恒等于湿化空气中的水蒸气量。
离开湿化器的湿空气(6)进入回热器(D)吸收透平排气余热，达到一定的预热温度(7)，然后进入外燃锅炉高温段吸热升温，达到湿空气透平入口的要求温度(8)，进入湿空气透平中膨胀作功，一部分作功量消耗于带动低、高压压气机，剩余部分则直接带动发电机发电。透平的排气总压和温度相对较高，首先预热湿空气，使其达到一定的预热温度，然后利用剩余热量尤其是水蒸气的凝结潜热在燃机省煤器G中加热产生部分热水。最后低温低压的湿空气混合物在凝气器(H)中被冷凝，凝结水循环使用，洁净空气则被排入大气环境中。系统中可设置贮水罐进行水量控制，在变工况过程中，系统用水不足时，向系统补充水；系统用水过剩时，多余的水导入贮水罐。
外燃锅炉不仅把湿空气从预热温度加热到透平入口温度，而且还可以通过烟气的低温余热产生一定量的热水供给湿化器。烟气热量首先加热湿空气，然后对燃烧用空气进行预热，此后的烟气温度比要求的排烟温度还高，在这一范围内设置锅炉省煤器来产生一定量的热水，去参与湿化器对空气的湿化工作。离开省煤器的烟气按良好环保指标要求的排烟温度排入大气中。
该发明是传统与先进技术取长补短，优势互补的有机结合，为能源转化利用尤其在未来高效洁净发电领域开拓出了一个新方向。尤其突破了传统燃气轮机动力系统的燃煤问题，并且是建立在成熟技术基础上的新颖系统，将会应用在未来新建电厂和对现有电厂的更新改造，尤其为缺水地区和劣质煤多而环保性能要求又高的地区开辟动力发电的新方向。本发明结合了外燃燃气轮机技术和湿空气透平技术的优点，克服其缺点，应用间冷、回热等中低温余热回收的手段，本专利中的新颖能源动力发电系统适合于未来高效洁净发电领域，尤其适合燃煤动力发电领域。本发明系统通过外燃和加湿手段，创新性地构造了现代燃气轮机高效燃煤系统，可以充分发挥燃气轮机循环的优势，本发明的推广应用将开辟燃煤发电新方向。
图1为典型的EFCC系统流程简图；图2为HAT循环系统流程简图；图3为根据本发明的外燃式湿空气燃气轮机发电系统流程图；图4为根据本发明的新型外燃式湿空气燃气轮机发电系统结构图。
在总压为12的情况下，空气的流量为118(kg/s)，并且根据流化床燃烧床温的要求，透平入口作功工质的温度定为800(℃)，得到相应平衡工况下，耗煤量为7.74(kg/s)，系统的机械输出功率50730(KW)，系统的热转功效率达到50.66％。
在透平入口温度为800℃的情况下，目前几乎见不到相应热转功效率能够达到50％效率水平的动力发电系统。本专利系统为什么就能够达到呢？其中很重要的原因就是系统中湿化技术的应用。通过压气机流量在118kg/s的条件下，而在透平中作功的工质流量却是145.50kg/s，工质流量的增加来自于湿化器加湿过程中水蒸气量的增加，在本工况中，湿空气的水空质量比约为23.31∶100；水空摩尔比37.56∶100；而湿空气中水蒸气占湿空气的总摩尔比为27.3％，加湿程度是比较高的。但从工质流量上看，透平流量大，提高了作功的潜力；而压气机流量小，相对降低了压气机的耗功。如果从热力学角度分析系统，我们就会进一步从机理看到，燃机系统首先采用回热，使作功工质湿空气在燃烧设备中吸热以前就已达到了比较高的温度337.49℃，显然会带来燃料量的节省；压气机采用间冷，耗功显然大大降低；回热后燃机排气的低温余热以及压气机间冷所获得的热量，并没有浪费，通过循环水量而得以回收，然后在湿化器中对空气进行加热加湿。
吸收低温余热的水流混合后作为湿化器的加热源，低温下产生蒸汽，能量匹配利用上充分而且合理，体现了总能系统温度对口梯级利用的根本原则，实现了系统的高效特性。
权利要求
1.一种新型外燃可回收水的湿空气燃气轮机循环系统，其包含湿化燃气轮机系统和外燃式锅炉系统，其中湿化燃气轮机系统包含低压压气机；高压压气机；余热回收水混合器；湿化器；湿空气预热器；湿空气透平；燃机省煤器；水回收凝气器；给水泵；发电机；外燃式锅炉系统包含主燃烧区；空气预热器；锅炉省煤器；引风机。
2.一种新型外燃可回收水的湿空气燃气轮机循环系统，其特征在于其工艺流程为常温常压空气经过燃气轮机低压压气机被压缩，通过间冷器降温，再经过高压压气机被压缩，然后通过冷却后进入湿化器；压缩空气在湿化器中被热水加热加湿，经过回热器加热后送入外燃式锅炉；外燃锅炉燃烧液体或固体燃料，通过锅炉内的“高温换热器”加热湿空气，使湿空气的温度达到一定的透平前温，再送入燃气轮机的湿空气透平膨胀作功，输出功率带动发电机产生电力(或动力)；湿空气透平的排气仍然为洁净的湿空气，经过气气回热器和气水换热器将热能传递给湿化器的湿空气和进入湿化器的热水；最后洁净湿空气经过换热器进一步降温以回收洁净水。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，该系统的燃料适应性广，可以是液体或固体燃料，包括煤、生物质、石油礁等。
4.根据权利要求2的方法，其特征在于，湿化器所用热水的一个来源是燃气轮机压气机间冷器所加热的热水。湿化器所用热水的另一个来源是燃气轮机透平排气所加热的热水，其中通过大量回收透平排气水蒸气的凝结潜热而得到。湿化器所用热水来源之一是外燃锅炉尾部换热器热水。
5.根据权利要求2的方法，其特征在于外燃燃气轮机循环的工质为洁净湿空气。循环工质(湿空气)的加热方式是通过外置高温面式换热器完成，换热器内部为吸热工质—湿空气，外部为放热工质—锅炉的高温烟气，可以保证循环工质湿空气是洁净的而不被燃烧污染。本发电系统中的水可以回收，循环使用。
6.根据权利要求2的方法，其特征在于，在燃气轮机透平后设置有回热器，用透平排气加热湿化器出口的湿空气，以提高系统的热效率。
7.根据权利要求2-6的方法，其特征在于，就在透平前温800摄氏度时，发电效率即可以达到50％。
8.根据权利要求2的方法，其特征在于，由于采用外燃加热湿空气工质和透平前温不高(小于900摄氏度)，外燃式高效燃气轮机发电系统仅仅用金属换热器，燃气轮机透平材料无需特殊冷却(空气冷却或蒸汽冷却)，同时透平叶片无需作防腐蚀处理。
全文摘要
本发明是一种新型外燃湿空气燃气轮机发电系统及其工艺，其将外燃燃气轮机联合循环技术和湿空气透平动力发电技术相结合，具有如下优点(1)燃料适应性广，可以是液体或固体燃料，包括煤、生物质、石油礁等；(2)热效率高，节约能源，透平前温800摄氏度，发电效率可达到50％，远高于超临界蒸汽发电系统的效率；(3)可回收水，节省资源，同时适合我国西部大开发中水资源缺乏以及电力快速增长等状况；(4)核心技术难度小，具有推广价值。
文档编号F02C6/00GK1401886SQ01120378
公开日2003年3月12日 申请日期2001年8月29日 优先权日2001年8月29日
发明者金红光, 刘泽龙, 赵洪滨, 蔡睿贤 申请人:中国科学院工程热物理研究所